基于單片機的鼾癥治療儀電路設(shè)計

馮璐璐，倪 原，劉朝輝，郭恩峰

（1. 西安工業(yè)大學，陜西省西安市 710032；2. 第四軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院，陜西省西安市 710032）

1 引言

打鼾是一種嚴重影響人體健康的睡眠疾病，屬于“阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征” (Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome,OSAHS)，是心血管疾病、呼吸道疾病等多種疾病的誘因同時也嚴重影響睡眠。得不到及時治療的小孩容易誘發(fā)記憶力減退、注意力不集中。中年人容易引起腦缺氧、腎臟損害、免疫功能下降等多種疾病。老年人更容易導致高血壓、冠心病、血管性癡呆，甚至睡眠中死亡。由此可見對于打鼾的減輕與治療的研究是非常有必要的。

本設(shè)計利用變頻旋磁熱輻射作用于人體頸部，可以在短時間內(nèi)促進氣道周圍組織分解代謝增強，張力增強，彈性增加，從而解除氣道狹窄，使呼吸通暢，進而改善或治療打鼾。

2 設(shè)計原理

引起打鼾的原因有很多，主要有鼻部異常、心血管病變、呼吸暫停、舌頭肥大、身材肥胖等，其中肥胖是引起打鼾的最主要的原因之一。由于肥胖者的氣道通常要比正常人狹窄，白天清醒的時候，咽喉部肌肉收縮時氣道保持開放，因而不會使氣道受到堵塞。但是晚上睡眠時神經(jīng)興奮性下降，肌肉松弛，咽部組織堵塞，使上氣道塌陷，當氣流通過狹窄部位時，會產(chǎn)生渦流并引起震動，陣陣鼾聲也就產(chǎn)生了。

由于人體發(fā)射的遠紅外線波長在9.6微米左右，在治療時所選擇的紅外波長在8～15微米，可以和人體表面峰值匹配產(chǎn)生共振。使體內(nèi)熱能提高，細胞活化，因此促進脂肪組織代謝，燃燒分解，將多余脂肪消耗掉，有效減少脂肪厚度。

旋磁可在人體體表局部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)變化的磁場，當磁場強度在800到1000高斯時可促進皮下組織血液循環(huán)，增強人體細胞膜的通透性，提高紅血球的攜氧量，減輕血液的粘稠度，良性改善血液理化指標；促進皮下脂肪的快速分解，減少脂肪厚度。在遠紅外線和旋轉(zhuǎn)磁的共同作用下，能有效降低脂肪厚度，睡眠時當神經(jīng)興奮下降咽部組織就不會堵塞，打鼾也就的得到了減輕或治療。

3 硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)主要由C8051F020單片機、電機、電機驅(qū)動控制器、磁頭、遠紅外管、遠紅外驅(qū)動控制器、溫度傳感器、生理檢測裝置等組成。單片機的DAC控制磁頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速可變的旋磁，單片機發(fā)出的PWM信號控制遠紅外管加熱，通過實時溫度傳感器采集溫度將溫度控制在要求范圍內(nèi)。為了檢測治療效果，定期檢測人體的溫度、肺功能等信號。

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 主控芯片

設(shè)計用的是混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F020，高速/流水結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核（可達25MIPS），該芯片據(jù)有64個I/o引腳；2個帶有PGA和模擬多路開關(guān)的12位的ADC和8位的DAC；可實現(xiàn)SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口；5個通用的16位定時器；5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器可以產(chǎn)生PWM信號；片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。充分滿足了本設(shè)計的需要,外部不需加入芯片就可實現(xiàn)系統(tǒng)功能,并可使整個系統(tǒng)體積減小、功耗降低、穩(wěn)定性增加和成本得到控制。

3.3 旋轉(zhuǎn)磁場控制電路

電機的轉(zhuǎn)動帶動磁頭的轉(zhuǎn)動形成旋磁，驅(qū)動電路采用高效率的PWM脈寬調(diào)速法，控制電機的轉(zhuǎn)速，改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度。治療要求的磁場強度是800~1000高斯，用5個直徑為9mm厚度為3mm的磁片即可滿足。通過程序控制單片機DAC的輸出電壓改變下圖中電壓比較器的參考電壓，進而改變電機的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)速度范圍0~3000轉(zhuǎn)/min。圖2是電機驅(qū)動電路圖。

圖中運放U1A和U1B產(chǎn)生三角波，U1C為U1B提供基礎(chǔ)電壓。U1D是電壓比較器，其反相輸入端由兩個電阻和一個電位器組成參考電壓，同相端是三角波輸入，通過改變電位器的值來改變參考電壓，進而改變方波的占空比調(diào)節(jié)電機的速度。若要單片機控制電機轉(zhuǎn)速，單片機的DAC輸出為U1D提供參考電壓，根據(jù)參考電壓的不同即可改變電機的轉(zhuǎn)速。為了驅(qū)動電機，電壓比較器后加了功率開關(guān)管實現(xiàn)電流放大，功率開關(guān)管P60NF06，VDSS為60V，ID為60A，RDS(on)為0.016Ω。防止感性元件（電機）產(chǎn)生的負感應(yīng)電動勢對三極管的沖擊，在電機兩端加IN4007穩(wěn)壓二極管。

圖2 電機驅(qū)動電路圖

3.4 遠紅外控制電路

遠紅外控制電路包括兩部分遠紅外加熱驅(qū)動電路和溫度采集電路，在遠紅外加熱的同時，實時采集遠紅外加熱器表面的溫度，當表面溫度大于等于最高溫度時，改變PWM占空比，停止加熱，當溫度低于最低溫度時繼續(xù)加熱。檢測溫度范圍0~100℃，控制精度±0.5℃。

3.4.1 遠紅外加熱驅(qū)動電路

2、機具種類較多，更新較快，既有的教學器具未必能及時跟上教學最前沿。無人植保機、自動駕駛插秧機以及國三國四發(fā)動機等先進的農(nóng)業(yè)機械裝備，部分培訓單位還沒有配備。如果培訓單位需要教授這部分內(nèi)容，有教學需求時需要聯(lián)系廠家、維修點或者外地的高等院校，并不方便，人員和經(jīng)費開支較大。由于校內(nèi)教師平時也不容易接觸到具體實物，他們往往對機器的理解并不深刻。即便是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械，因為種類繁多，農(nóng)機培訓單位也不可能全部配齊。

遠紅外加熱器是一種12V供電的遠紅外陶瓷材料，該材料節(jié)能、升溫速度快且穩(wěn)定、無害；發(fā)出的紅外波長在1.5～25um，與人體發(fā)出的遠紅外波相比配，可滿足治療需求。單片機發(fā)出的PWM信號控制功率管工作，改變紅外輻射器的加熱溫度，同時用PT1000鉑電阻溫度傳感器實時監(jiān)測溫度，形成反饋，將溫度控制在一定的范圍內(nèi)。

圖3 遠紅外加熱驅(qū)動電路

電路中加了光電隔離，防止前后級電路互相干擾。遠紅外加熱驅(qū)動電路中使用硅半導體場效應(yīng)晶體管高速功率開關(guān)2SK3070來驅(qū)動遠紅外加熱器，VDSS為40V，ID為75A，RDS(on)為4.5 mΩ，導通電壓為4V，滿足設(shè)計需求。

3.4.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路的電源輸入為5V, 經(jīng)過MC1403輸出2.5V精準電壓。流經(jīng) Pt 的電流是恒定的，當溫度變化時，溫度傳感器的電阻值相應(yīng)變化，其上電壓值隨著阻值的變化而變化。電流反映到下一級運放負輸入端，輸出通過增益調(diào)節(jié)電位器RW反饋到運放的反相輸入端，優(yōu)點是帶寬增加和輸出阻抗降低。圖4是溫度檢測電路圖。

設(shè)計中使用的傳感器是金屬鉑熱電阻PT1000，具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸??；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學性能穩(wěn)定，長期復現(xiàn)性好，測量精度高。

3.5 生理信號采集

為了檢測治療效果，對人體做一定時間的治療后需要評價治療效果。所以需要檢測人體的體溫、肺功能信號。

3.5.1 肺功能檢測電路

人體的呼吸頻率范圍0.05Hz~20Hz，正常人靜止狀態(tài)下在1Hz左右，呼吸強度是0~150rpm。肺功能的檢測其實就是檢測人體的呼吸信號，根據(jù)呼吸系統(tǒng)動力學原理，用差壓式孔板流量傳感器測量人體的呼氣肺活量、用力肺活量等，綜合評估這些參數(shù)，能有效反映肺臟、氣管、支氣管等呼吸道器官的狀態(tài)及其調(diào)節(jié)功能。

圖4 溫度檢測電路

圖中sensor接入傳感器，人在吹吸氣過程中，通過傳感器獲得與氣流信號相對應(yīng)的電壓差信號，經(jīng)過電壓跟隨器U1A和U1B進入放大電路，這樣可以提高輸入阻抗和降低輸出阻抗。U2A為低通放大器，在吸氣時會產(chǎn)生負信號，U2A在抬高電壓的基礎(chǔ)上加上R5和R7使比較器有了滯后作用，消除輸出雜波。

3.5.2 人體溫度檢測電路

人體溫度檢測電路與前面的溫度檢測電路相同，只是檢測的范圍不同。人體的體溫測量范圍為0~50℃，測量精度為±0.1℃。溫度檢測輸出信號電壓對應(yīng)鉑電阻關(guān)系圖如下表：

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4 軟件設(shè)計

軟件是系統(tǒng)有效工作的核心，總體流程圖如圖6。

軟件主要完成三個功能包括讀取鍵盤、LED顯示和信號的采集。鍵盤需要6個按鍵，包括開始、結(jié)束、上下左右鍵，主要實現(xiàn)對溫度、時間的設(shè)置。有6個LED，兩個顯示加熱的最高溫度值，四個顯示治療時間。左右鍵用來選擇所要設(shè)置的LED位，上下鍵用來實現(xiàn)數(shù)值的加減。信號的采集利用單片機自帶的12為AD轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機處理。

圖5 肺功能參數(shù)測試電路原理圖

圖6 軟件流程圖

5 實驗測試結(jié)果

經(jīng)測試，電機轉(zhuǎn)速控制范圍為0~3000轉(zhuǎn)/min，溫度檢測電路測量的溫度變化范圍是0~100℃，測量精度為±0.1℃，遠紅外加熱器溫控精度為±0.5℃，達到技術(shù)指標要求。肺功能模塊傳感器的最大輸出信號峰-峰值為50mv，頻率為0.05Hz~20Hz，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)使輸出信號峰-峰值在3.6V左右，改變放大倍數(shù)的同時應(yīng)調(diào)整直流基準電位，一般確定在2.0~2.2V。

治療儀開機初始化后，根據(jù)病人的情況設(shè)定治療的時間、溫度、電機轉(zhuǎn)速，并LED實時顯示。治療時間根據(jù)不同的人設(shè)置不同，設(shè)置范圍0~200分鐘，一個療程一般在30分鐘左右。

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